快速掘锚技术的研究与应用

王克泰

摘 要：矿山开采首先需要掘进一条用于矿、材料与人员运输和工作面回风的顺槽巷道，以形成完整的回采工作面。随着开采规模、深度与强度的加大，矿井工作面顺槽巷道的掘进在围岩压力、稳定性等方面的施工环境渐趋复杂化，对巷道掘进设备的要求越来越高。同时，随着采煤技术与设备的进步升级，智能化自动化综采工作面不断发展，回采速度日渐提升，迫切需要探索研究一种快速高效的快速掘进装备，来提高掘进成巷速度与质量，缓解采掘衔接紧张。本文阐述了我矿在高产高效矿井建设过程中，广泛应用的综掘快速掘进技术。

关键词：综合采掘;快速掘锚;巷道支护

1 概述

贺西煤矿是山西焦煤汾西矿业集团有限责任公司优势矿井之一，年生产能力300万t。该矿安全生产十年间，随着采掘延伸，自动化智能化回采工作面的发展，回采速率不断加快，采掘衔接日益紧张，对巷道的采掘速度和成形质量也越来越高。而当前掘进设备效率偏低，导致采掘比例失调的矛盾凸显，生产衔接紧张成为制约矿井高产高效的突出问题，同时人员安全生产压力巨大、生产成本剧增，对快速掘进一体化设备提出急迫需求。

为有效提高掘进成巷速度和质量，2018年12月贺西煤矿与中国铁建重工集团有限公司合作，通过联合技术开发，历时近10个月研制一款适用于贺西煤巷全断面快速掘锚成套装备，于2019年11月该矿2416运巷掘进成功作业应用。作业至今4个月，最高实现月进尺600m，该设备实现掘进、支护和运输三大工序平行作业、合理支护、装运机械化和辅助运输设备之间的优化配置，极大提高了单进水平和劳动率，有效改善安全环境。

2 矿2416运输巷工作面状况

2416运输巷位于贺西煤矿二采区西翼，底板标高为+690m～+760m。北侧为4#未开采实体煤，东侧为大巷保安煤柱，南侧为2415工作面（采空区），西侧毗邻金家庄煤矿（采空区）。煤层为正断层，走向平稳，落差为1.8m至2m，倾向和倾角较小，受相邻巷道影响较小，适宜引用大型连续设备进行大工作面生产作业。贺西矿2416运输巷设计为矩形断面，掘宽5.0m、掘高3.2m、掘断面积16㎡，设计施工长度为1463m。

贺西矿2416运输巷沿山西组4#煤层底板掘进，4#煤层呈层状，结构复杂，内生裂隙发育，玻璃光泽，属半亮--光亮型煤。煤層总厚度为3.45m，煤层结构（m）：0.55（0.25）2.65，煤层含有夹矸1-3层，其中一层较稳定，厚度0.25m。煤层可采指数为1，稳定。煤层倾角3°～ 7°，平均5°，容重1.39t/m3。

2416运输巷支护参数，顶锚杆采用Ф22×2400mm SMG500#高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，采用高强锚杆螺母M24×3，托板采用可调心拱型高强度托盘配减摩垫片，规格为150×150×10mm。矩形布置，间距900mm，排距1000mm，每排支6根，顶锚杆下压锚杆托盘压长4700mm、宽280mm、厚3.0mm的W型钢带压六边形网（长×宽=5000×1200mm）支护，角锚杆角度不小于75°。帮锚杆采用Ф22×2400mmSMG500#高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，采用高强锚杆螺母M24×3，托板采用可调心拱型高强度托盘配减摩垫片，规格为150×150×10mm。矩形布置，间距850mm，排距1000mm，每排左右两帮各支护4根，帮锚杆下压锚杆托盘压长400mm、宽280mm、厚3.0mm的W钢护板压六边形网（长×宽=3400×1200mm）支护，网与网搭接使用，W钢护板垂直巷道布置，最上方一根帮锚杆距顶板200mm处向上倾斜15°施工，中间两根锚杆水平施工，最下方一根帮锚杆距底板400mm处向下倾斜5°施工。锚索规格为Ф21.8×6300mm（1×19股）高强度低松弛预应力钢绞线，间距1200mm、排距2000mm，锚索下压300×300×14mm的可调心拱形高强度锚索托盘及配套锁具。六边形网规格：长×宽=5000×1200mm、长×宽

=3400×1200mm，垂直巷道掘进方向铺设，网与网搭接200mm，每200mm联一扣。网要贴顶贴帮铺设，铺平拉直。

3 快速掘锚成套装备简介

3.1 系统组成

快速掘锚成套装备由EJM270/4-2全断面煤巷高效掘锚一体机、煤矿用液压锚杆钻车、骑跨式皮带机等设备组成，可以完成割煤、装煤、运煤，以及巷道顶、帮支护和煤流转载运输工序的全机械化作业。

EJM270/4-2掘锚一体机由底盘、截割部、装载部、刮板运输机、锚杆支护系统、电气系统、液压系统及水冷却喷雾系统组成。集截割、运输、锚杆支护及超前钻探于一体的快速掘进设备，可实现作业截面一次成形，煤壁平整，成形效果好，提升了截割效率。截割一个循环单次可前进1m，装载装置可以随截割大臂前移，快速进行煤料装运，效率高。主机配制四台顶锚杆机和两台帮锚杆机，可以一次性完成顶面六根顶锚杆的支护作业和顶部两根帮锚杆的支护作业，支护距离短，支护速度快，支护效果好，有效减小巷道的变形，为操作人员和设备提供安全工作环境，机载配制的增压内、外喷雾和泡沫除尘系统，喷射压力高，喷射覆盖面大，有效降低巷道内的粉尘含量，极大改善工作环境，保证操作人员身体健康。

液压锚杆钻车由底盘、刮板运输机、锚杆锚索支护系统、电气系统、液压系统及水系统组成，集锚杆锚索支护于一体的快速支护辅运设备。液压锚杆钻车可以实现转运掘锚一体机截割下来的物料，前部3台顶锚杆机并可实现顶锚杆锚索的支护作业，中部2台帮锚杆机可实现侧帮锚杆的支护，后部2台锚索机可实现顶部锚索支护。骑跨式皮带转载机集运输与可伸缩胶带机重叠布置，为辅助运输、支护材料倒运取得了有效空间。

3.2 作业过程

3.2.1 采掘过程

掘锚一体机按导向设备移动到预定位置，稳定完成后，在安全预警和确认后，开始截割作业，截割装置启动后，抬升大臂至顶板平齐位置，截割大臂前移进行截割作业，截割大臂推进1m后，大臂向下俯割至底板，再拉回大臂，从面完成一个循环的截割作业，同时通过装载装置和刮板运输机运将煤料送至液压锚杆钻车的集料斗上，液压锚杆钻车将其送至二运，最后送至皮带机将其运走。截割一个循环耗时4-6min。

3.2.2 锚杆锚索支护过程

掘锚一体机上配制有4台顶锚杆机和2台帮锚杆机，掘锚一体机在采掘同时进行锚杆支护施工，4台顶锚杆机完成顶板第1根、第3根、第4根和第6根共4根顶锚杆支护，其余顶锚杆留给后面的液压锚杆钻车支护，2台帮锚杆机完成侧帮从顶到底的第1根和第2根锚杆支护。液压锚杆钻车前部安装有2台底脚帮锚杆机，可以用于支护侧帮板最下方的一根帮锚杆，中前部配制有3台顶锚杆，可在锚杆钻车上自由前移或后退300mm，完成顶面的第2根和第4根顶锚杆的支护作业，并进行顶面三根锚索支护作业。中后部配制有2台帮锚杆机，可以进行侧帮的第3根帮锚杆的支护作业。锚杆钻车尾部配制有2台顶锚杆机，可进行第2根和第5根顶锚杆的补打作业。

3.2.3 人员配制

掘锚一体机配有一名司机和四名锚杆机支护人员，液压锚杆钻配有三名锚索支护人员和两名帮锚杆机支护人员，以及为设备辅助运物料两名人员，共计十二名工作人员。司机和锚杆机操作人员均全机械化作业，工作强度较使用手持式锚杆机进行作业大大降低。

3.2.4 掘进与支护工艺

根据煤层的地质情况，贺西煤矿快速掘锚成套装备使用了单次掘进循环1m和单次掘连接掘进2m的掘进支护艺。在煤层较弱时，采用单次掘进循环1m掘进支护工艺，同掘锚主机一次完成顶面6根顶锚杆和侧面上部的2根帮锚杆的支护作业，液压锚杆钻车只进行顶面3根锚索的支护作业，此方式距离开挖面的支护距离近，支护强度高，安全性高，但两车的支护作业分配不均衡，耗时较长，一个循环约需30min;在煤层较好时，可采用单次掘连接掘进2m掘进支护工艺，掘描主机依次进行顶面6根顶锚杆支护和4根顶锚杆的支护作业，同时完成侧帮的上方2根帮锚杆的支护作业，液压锚杆上间隔进行顶面2根顶锚杆的支护作业和3根锚索的支护作业，此种支护工作方式下两车的支护作业针对均衡，两车同步性高，完成单次循环时间为23min左右，效率较高。

3.3 钻探工作

掘锚一体机配有机载的超前钻机，可对工作截面实现±15度、水平孔和斜向上共四个方向深孔探放作业，在掘一体主机稳定后，钻孔直径95mm，钻杆直径74mm，有效钻深80m，真正实现”“有掘必探”作业理念，而且无需移动设备或使用专门的钻孔设备，安全有效。

4 应用情况

快速掘锚成套装备应用于2416运输巷（长1400m，宽5m），运用效果显著。掘锚机截割速度快，巷道成型好，一次截割宽度即可达到巷道设计宽度5m。掘锚机有前支护可作为临时支护，前支护到工作面迎头最大1.5m，前支护到顶锚杆距离0.5m～1.0m，可有效支护顶板，使施工人员在有支护的顶板下作业，不会出现空顶作业，安全系数高。掘锚机除了能够支护顶板以外还自带有打帮锚杆的钻臂，比起人工打的帮锚杆支护质量好，速度快，能及时控制两帮，防止片帮事故发生。掘锚机成功实现掘锚一体化，操作简单可靠，因此更加有利于设备维护与管理。后配的锚杆台车及时跟进补齐锚杆锚索，掘进过程中不存在来回倒车现象，工作面危险源相应减少。快速掘锚成套装备实现连续掘进，同时平行作业，完成顶锚、锚索、帮锚的永久支护，无须频繁调机，履带对底板破坏程度小，安全系数大是快速掘锚成套装备在贺西煤矿一次成功的应用。

5 效益

5.1 生产效率提高

使用前：掘进工作面日进尺8m，月进尺240m。需要时间1400÷240=5.8（月）;使用后：掘进工作面日进尺20m，月进尺600m，需要2.3个月，节约时间：5.8-2.3=3.5（月）

5.2 巷道维护效益

采用原临时方式，由于支护效率不高，经常造成巷道顶板下沉，回采工作面安装前需要维护巷道。采用快速掘锚一体成套装备后巷道支护提高，变形量减少，巷道维护量减少，实现降本增效。

5.3 安全效益

快速掘锚一体成套装备具备机械支护，作业人员避免在空顶下作业，提高作业人员安全系数。成巷质量和效果更好，减轻顶板管理难度，降低顶板事故。

5.4 存在问题

快速掘锚一体成套装备的设计宽度与贺西煤矿的开挖工作面尺寸匹配性不足，导致设备两侧的物料运输通道过于狭窄，人员通过性差，对物料的運输效率造成一定影响，从而降低整机的支护效率。

6 结论

贺西煤矿经过四个月应用，效果显著，月进尺实现600m，比普通悬臂式掘进机平均月单进高出360m左右，有效缓解回采工作面接续紧张的局面。快速掘锚成套装备能在解决截割、装运、行走、转载一体化基础上，实现掘进、锚杆支护同步作业，从而大大提高掘进速度，满足现有高产高效采煤工作面的配套要求。快速掘锚成套装备在我矿一次成功的应用。

参考文献：

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